基于無線控制的爆炸場多參數存儲測試系統

許其容，尤文斌，馬鐵華，李婉蓉

(中北大學電子測試技術國家重點實驗室/儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051)

基于無線控制的爆炸場多參數存儲測試系統

許其容，尤文斌，馬鐵華*，李婉蓉

(中北大學電子測試技術國家重點實驗室/儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051)

針對大威力武器、彈藥等研制與試驗過程中對毀傷程度進行評估的需求，介紹了一種基于無線控制的通用型多參數測試系統，可分別對彈藥爆炸時的壓力、溫度、爆炸時刻以及加速度的測量。它由傳感器與模擬適配模塊、電源管理模塊、采集編碼與存儲以及無線通訊模塊組成。通過靶場實測試驗數據表明:該系統運行穩定可靠，能有效捕獲多種參量，并能實現無線控制與數據傳輸。

沖擊波;存儲測試;無線控制;爆炸場;多參數多測點

爆炸是大量的能量突發性釋放，除壓力(沖擊波)急劇上升外，通常伴隨發光、發熱、破片等現象［1］。爆炸場中的測試裝置在爆炸發生時要受到瞬態強光、瞬態高溫、強電磁場、破片引起的強沖擊、地震波引起的振動等的影響，因此，對爆炸場的瞬態高溫、高壓、加速度等多參數的測試是作為評價武器系統殺傷力的有效手段［2］。當前，廣泛應用的爆炸場多參數測試系統有引線電測法和存儲測試法。引線電測法是在諸如戰斗部靜爆、炮彈、火箭彈或導彈等動爆特殊測試環境下，通過測點布置傳感器，通過電纜將信號統一接入采集系統［3］。這種測試方法存在的不足是:①干擾噪聲大。②現場布設不方便。存儲測試法是將傳感器、適配電路、A/D轉換器、存儲器、控制電路、接口電路以及電源等集合在一起，組成一個微型化測試系統［4］。該方法依然存在的不足是:①無法實時監測系統狀態。單存儲測試系統無外接電纜又存在無法準確掌握各個測點信號的強度，存儲電路觸發量程不易設置，多個裝置無法具有統一測試信號的作用時間零點信息。②不能第1時間獲取測試數據。在試驗結束后需要回收記錄裝置讀取數據。回收過程可能存在耗時長的不足。

為提高測試系統評估炸藥的毀傷效能的存活性、可靠性、便捷性，研制了一種基于無線控制的爆炸場多參數存儲測試系統。該系統將無線傳感器網絡技術［5-8］與存儲測試技術融合，在數據采集存儲的基礎上，設計了一種可實現電路同步觸發、參數設置、數據傳輸的爆炸場遠距離多參數數據采集系統。準確測量爆炸產生的各種沖擊波超壓、振動加速度信號、爆炸溫度、時間等參量［9-11］，彌補了現有方法的不足，實現了具有無線控制功能和數據實時傳輸的沖擊波場多參數多測點測試新方法。

1 系統組成及工作原理

本測試系統主要由現場測試探測頭和遠端主控臺組成，兩者之間通過無線模式進行通信。探測頭具有抗高壓、抗高沖擊、抗高溫特性，用于測量溫度、振動、壓力、爆炸時刻的探測頭分別布設于爆炸場內，在試驗作用前主機通過無線設置各智能探測頭的采樣參數掌握探頭的狀態;在爆炸過程中屏蔽無線信道，在爆炸過程結束后，多參數沖擊波測試系統主機通過無線通訊信道，控制接收各個智能探測頭壓縮和加密后的測試數據，進行解壓、解密及相應的顯示和存儲及數據處理。系統原理框圖如圖1所示。

圖1 測試系統原理框圖

2 測試裝置的設計

2.1 電源管理電路

由于沖擊波測試環境比較惡劣，系統體積和功耗受到限制，并且各模塊之間上電需遵循一定的順序，否則會因上下電不合理導致誤觸發，空采等現象。因此本系統采用Xilinx公司的CoolrunnerXPLA3系列芯片XCR3064設計了一個低功耗、低噪聲、高效率的可編程電源管理模塊，使電路上電順序為模擬適配電路、晶振、光模塊、數字板、通信模塊。這樣就能保證模擬適配電路完全上電以后數字電路才上電，避免上電瞬間模擬信號過大而引起電路的誤觸發。為防止在測試過程中意外關閉電源，實行延時下電控制，利用CPLD編程實現延時6 s下電，沖擊波信號從爆炸起始測點的用時均在1 s以內，保真在爆炸前5 s發生誤關電操作存儲電路也能采集到完整的參數。

2.2 存儲模塊的設計

本裝置是集傳感器、模擬適配電路、電源管理電路、采集存儲電路、USB接口電路和無線模塊為一體的測試系統。對各個探測頭而言，數據采編存儲模塊是相同的，不同探測頭僅傳感器和模擬適配模塊不同。通過更換傳感器及適配模塊完成不同信號的測試，測試電路具有通用型。通過更換傳感器及適配模塊完成不同信號的測試，測試電路具有通用型。數據采編存儲模塊由單片機結合CPLD共同協作完成。測試系統結構如圖2所示。

圖2 數據采編模塊框圖

3 無線通信的設計

本文采用星型結構組網形式，即一個中心節點與多個無線傳感器從節點相互通信的組網方式。在整個測試系統中，無線模塊的作用主要是完成主機與探測頭之間的無線數據傳輸，從而對探測頭進行參數設置，進行數據無線收發。這些功能用無線模塊進行操作，大大增強了系統的靈活性、使測試系統裝置簡單、控制方便、增加了系統可靠性、減少了外界干擾等。

由于無線模塊和測試系統之間需要完成數據和命令的收發，并且都是模擬量的電信號，這種信號在測試環境惡劣的爆炸場是極端容易受干擾的，若此信號受到干擾，將會造成系統誤觸發、測試信號受噪聲干擾大等使測試失敗。因此本系統設計了基于短光纖傳輸信號的通信模塊電路。光纖傳輸包括損耗小，速率高，成本低，保密性好，價格低廉，傳輸容量大等優點。

無線模塊與測試電路之間采用光纖通信，極大地提高了數據的精度，避免電信號被干擾。由于光纖傳輸的是光信號，測試裝置與無線模塊之間傳輸的是電信號，因此我們選用武漢元創光電科技有限公司OCB6343/OCB2343型收發合一光模塊。該模塊為SC插拔式光接口，多模單纖雙向光收發一體，單+3.3 V供電，接口電平兼容標準 TTL電平和CMOS電平，極低功耗設計，傳輸速率低至直流，上限速率可選，最高可達10 Mbit/s，可以有效地防止外界噪聲導致系統誤觸發以及外界噪聲疊加在信號中進入A/D采集電路中。其通信電路連接框圖如圖3無線通信探測頭狀態圖如圖4所示。

圖3 通信電路設計框圖

圖4 無線通信探測頭狀態圖

4 試驗及結果

本測試系統經實驗室標定和多次模擬試驗后，在靶場進行了TNT實爆試驗，分別將探測頭分布在距爆心3 m和10 m的圓弧上，爆心離地面高度為1.5 m，主控臺置于離爆心300 m的掩體內。打開探測頭電源，無線開關，同時啟動主控設備及筆記本電腦，通過無線通信對探測頭進行自檢和相關參數設置，炸藥爆炸后，主控節點發送指令讀取測試數據，現場裝置分布及安裝如圖5所示。

圖5 試驗現場布設圖

本次試驗分為1 kg TNT和3 kg TNT兩次試驗，分別捕獲了有效數據，表1為3 kg TNT當量作用下多種探測頭所測數據統計表。圖6為3 m處10#壓力探測頭和14#振動探測頭所測數據，通過無線數據傳輸讀取到計算機，經過濾波等處理后的曲線。

表1 3 kg TNT試驗多種探測頭數據統計表

圖6 試驗測試曲線

從表1可以看出不同測點的瞬態溫度和加速度基本符合衰減規律，同時可以看出相同距離的測點沖擊波到達時間基本一致，爆炸時的閃光信號作為所有探測頭接收信號的時間基準信號［12］，可根據爆炸時刻信號到達時間與壓力探測頭信號到達時間的差值估算超壓的傳播速度。由圖6可以看出該系統的無線傳感網絡技術在測試中的可靠性和實用性。

5 結論

本文提出了基于無線控制的爆炸場多參數存儲測試方法，經試驗表明該測試系統操作簡單，靈活多用，穩定可靠，抗干擾能力強等優點。在環境惡劣的爆炸場中能夠完整存儲測量數據，實現測試裝置實時遠程監控，及時獲取測試數據。多類型多測點的測試裝置，快速便捷的獲取爆炸場各類參數，能更精準的評價爆炸場的毀傷效能。因此，該系統在爆炸測試系統領域有很好的應用前景和推廣價值。

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許其容(1987- )，女，漢族，四川瀘州人，在讀碩士研究生，研究方向為測試計量技術及儀器，xurong5250@126.com;

馬鐵華(1964- )，男，漢族，山西交城人，中北大學教授、博士生導師，主要研究方向為動態測試與傳感技術，matiehua@nuc.edu.cn。

Based on the Wireless Control Parameters of Shock Wave Storage Test System

XU Qirong，YOU Wenbin，MA Tiehua*，LI Wanrong
(Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory/Instrument science and dynamic test laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China)

To satisfy the demand for assessing the extent of damage in the research and testing process of big powerful weapons，ammunition etc，an universal shock wave test system based on wireless control was proposed.The system can measure ammunition explosion pressure，temperature，moment of explosion and acceleration respectively.It consists of sensors，analog adapter module，power management module，acquisition encoding，storage，and communication module.This design can be widely used in explosion field multi-parameter multi-point test.The experimental testing data in shooting range show that this testing system is stable and reliable can effectively capture a variety of parameters and realize the wireless control and wireless data transmission.

impulse wave;memory testing;wireless control;explosion field;multi-parameter measuring point

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.030

TJ410.6

A

1005－9490(2014)02－0307－04

2013-05-29修改日期:2013-07-16

EEACC:7210B